特開 2024-118340 変角平行光投光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024118340

(43)【公開日】2024-08-30

(54)【発明の名称】変角平行光投光装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/84 20060101AFI20240823BHJP

【ＦＩ】

G01N21/84 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023024705

(22)【出願日】2023-02-20

(71)【出願人】

【識別番号】592004404

【氏名又は名称】中央精機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100080090

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 邦男

(72)【発明者】

【氏名】井上 信一

(72)【発明者】

【氏名】五十嵐 美範

(72)【発明者】

【氏名】星 武幸

【テーマコード（参考）】

2G051

【Ｆターム（参考）】

2G051AA90

2G051AB02

2G051BA08

2G051BA10

2G051BA20

2G051BB07

2G051BB09

2G051BC01

(57)【要約】

【目的】 本発明は、物体の光学計測に用いる投光技術の変角平行光投光装置に関するものであり、複数の点光源を設けて、複数の角度の投光を同時に行ない、これら角度の異なる光を異なる（波長分布の）フィルタを介して投光し、対応するフィルタを介して計測することで、これら複数の角度の光を分離して計測することが可能となるのみならず、その計測を１度に行えることを目的とする。
【構成】 複数の位置の点光源Ｐを有する投光部１とコリメータレンズ２からなる投光側光学系Ａを備えている平行光を投光する投光装置において，前記複数の点光源Ｐ，Ｐ，…が各々異なる波長分布であって、特に、前記点光源３つを備え，それぞれのカラーフィルタが色分解フィルタのＲｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅであること。
【選択図】 図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一つの点光源を備える投光部とコリメータレンズからなる投光側光学系を備え，平行光を投光する投光装置において，前記点光源の位置を制御する点光源位置制御手段を備えることを特徴とする変角平行光投光装置。

【請求項2】

複数の位置の点光源を有する投光部とコリメータレンズからなる投光側光学系を備え、平行光を投光する投光装置において，前記複数の位置の点光源のうちから一つの点光源を点灯させる点光源選択点灯手段を備えることを特徴とする変角平行光投光装置。

【請求項3】

複数の位置の点光源を有する投光部とコリメータレンズからなる投光側光学系を備え、平行光を投光する投光装置において，前記複数の点光源が各々異なる波長分布であることを特徴とする変角平行光投光装置。

【請求項4】

請求項３記載の変角平行光投光装置において、前記点光源３つを備え，それぞれのカラーフィルタが色分解フィルタのＲｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅであることを特徴とする変角平行光投光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、物体の光学計測に用いる投光技術の変角平行光投光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

物体の表面の計測、検査において、照明の条件は重要である。特に、正反射近傍の光沢や、表面の反射の違いによるキズの検出においては、その照明光の角度の選択が重要である。物体表面に対して均一な照明条件を得るために、このような照明では平行光の投光が広く用いられている。平行光を用いると、面に一様に、一定角度の投光が得られる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９－３０００８５号公報

【特許文献2】実用新案登録第３１１５１６２号公報

【0004】

引用文献１の解決手段には、「ベース１に半円状の摺動ガイド１３を固定し、摺動ガイド１３上に摺動子３３，４３を摺動自在に取り付けて、その一方にデジタルカメラ３１を固定し、他方に光源部４１を固定する。そして、それら摺動子３３，４３にそれぞれ円弧ラック５１，６１を固定し、調節ツマミ８１の操作により歯車５２，６２および円弧ラック５１，６１を介して摺動子３３，４３を移動させ、光源部４１とデジタルカメラ３１を互いに反対方向に同じ角度だけ回転させることができるようにする。」ことが記載されている。

【0005】

引用文献１の表面性状測定装置では、入射角および受光角を多様に変更でき、その調整を無段階に簡単に行えるため、測定対象物の種類に応じて最適な角度で測定することができるが、摺動ガイド１３及び動子３３，４３を摺動自在に構成されているため、装置が大がかりとなり、移動性にも無理があるのみならず、高価とならざるを得ないという不都合が生じている。

【0006】

また、引用文献２の解決手段には、「少なくとも一つの所定の第一立体角にして検査すべき表面に放射する少なくとも一つの第一照射装置と、輻射を位置分解して検出することができ、少なくとも一つの所定の第二立体角にして前記表面に対して配置されていて、前記表面に照射され、この表面から戻って来る輻射を捕捉する少なくとも一つの第一検出装置と、を備えた、光表面特性を検査する装置において、前記照射装置および／または前記検出装置を配置している状態の少なくとも一つの立体角が可変できるようになっており、前記照射装置と前記検出装置が少なくとも一部光反射特性を保有する一つの空間の中に配置されている、ことを特徴とする装置。」が記載されている。

【0007】

引用文献２でも、引用文献２でも、照射装置１５，１９、検出装置１３，１４，１６，１７，１８の少なくとも一つは半円形状の案内装置５１，５２を適宜摺動させることで任意の角度を得ることができるが、装置が大がかりとなり、移動性にも無理があるのみならず、高価とならざるを得ないという不都合が生じている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

引用文献１及び２に示すように、投光角度を変えて計測したい場合、投光装置全体を移動させる必要があり、これは装置的に大がかりとなる。特に、重量があり大きな投光装置を微小角度移動させることは装置面、費用面から課題であった。さらに、複数角度の条件での投光・計測を一度に計測する技術は待望されてきた。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者は、上記課題を解決すべく実験及び考察を繰り返したところ、コリメータ光学系の平行光に対する焦点位置は平行光の角度に規定されるため、投光装置としてのコリメータでは光源位置を制御することで投光される平行光の角度を変えることができることに気がついた。本発明はこの知見に基づきなされたものである。

【0010】

そこで、発明者は上記課題を解決すべく鋭意，研究を重ねた結果、請求項１の発明を、一つの点光源を備える投光部とコリメータレンズからなる投光側光学系を備え，平行光を投光する投光装置において，前記点光源の位置を制御する点光源位置制御手段を備えることを特徴とする変角平行光投光装置としたことにより、前記欠点を解消した。

【0011】

請求項２の発明を、複数の位置の点光源を有する投光部とコリメータレンズからなる投光側光学系を備え、平行光を投光する投光装置において，前記複数の位置の点光源のうちから一つの点光源を点灯させる点光源選択点灯手段を備えることを特徴とする変角平行光投光装置としたことにより、前記欠点を解消した。

【0012】

請求項３の発明では、複数の位置の点光源を有する投光部とコリメータレンズからなる投光側光学系を備え、平行光を投光する投光装置において，前記複数の点光源が各々異なる波長分布であることを特徴とする変角平行光投光装置としたことにより、前記欠点を解消した。

【0013】

請求項４の発明では、請求項３記載の変角平行光投光装置において、前記点光源３つを備え，それぞれのカラーフィルタが色分解フィルタのＲｅｄ，Ｇｒｅｅｎ，Ｂｌｕｅであることを特徴とする変角平行光投光装置としたことにより、前記課題を解決したものである。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、投光装置の異なる点光源の位置として投光する平行光の角度を変化できる。投光装置全体の移動に比べて、点光源は小さく位置制御が容易であり、従って精度の高い投光角度制御が容易に安価に可能となる。

【0015】

また、投光装置が複数の点光源を有することにより、複数の角度の投光を同時に行うことができる。これら角度の異なる光を異なる（波長分布の）フィルタを介して投光し、対応するフィルタを介して計測することで、これら複数の角度の光を分離して計測することが可能となる。これは従来、複数の角度で順次行っていた計測を１度に行うことを可能とする。

【0016】

特に、キズの検出のように、不規則な現象の計測では最適な投光の角度が未知の場合が多い。本発明による複数の投光角度では、左右、上下からというような、方向の違いも組み込めるため、見逃しの少ない検出が一度の計測で可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】（Ａ）は本発明の第１実施形態の概要の平面略図、（Ｂ）は（Ａ）の投光側光学系箇所の動作状態図である。

【図2】（Ａ）は本発明の別の第１実施形態の概要の平面略図、（Ｂ）は（Ａ）の投光側光学系箇所の動作状態図である。

【図3】（Ａ）は本発明の第１実施形態の主要構成部材の動作状態の簡略斜視図、（Ｂ）は本発明の第１実施形態の別の主要構成部材の動作状態の簡略斜視図である。

【図4】本発明の第１実施形態の主要構成部材において、点光源を３つとした動作状態の簡略斜視図である。

【図5】３つの点光源から投光されコリメータレンズを省略して平行光として落射された簡略斜視図。

【図6】本発明の第１実施形態の概要であって、受光側にテレセントリック光学系が介在された平面略図である。

【図7】本発明の第２実施形態の概要であって、受光側にテレセントリック光学系が介在された平面略図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

［本発明の第１実施形態］
第１実施形態では、少なくとも２色のカラーとしてフィルタ１３（図１では省いているが図６及び図７に一部参考）が用いられている。図６及び図７でのフィルタ１３は解りやすさのため１箇所のみであり、他は省いている。

【0019】

図１に示したものは、投光装置の簡易平面図であって、第１実施形態の変角投光装置は、投光側光学系Ａと、ハーフミラー３と、測定する試料（サンプル）９と受光測定部４とを備えている。投光側光学系Ａは、複数の点光源Ｐのそれぞれ異なる角度（変角）なる平行光ｎを生成し、該平行光ｎ，ｎ，‥‥を、前記試料９の表面に落射し、該試料９の表面状態を受光測定部４にて当該落射箇所（光量分布を含む）を測定するように構成されている。

【0020】

前記投光側光学系Ａは、図１では、採光部１として、光源部１０と出射側の小孔板１１からなる１つの点光源Ｐとコリメータレンズ２とが備えられている。前記小孔板１１にはフィルタ１３が必要に応じて設けられている。

【0021】

［第１実施形態及びその動作説明］
本発明の第１実施形態での投光及び落射の動作状態について説明する。
点光源位置制御手段８１によって、１つの点光源Ｐが異なる位置となるように制御され、中心点光源Ｐ０の基本光軸ｘ方向に対して立体角Δθとなるように自在に位置変更できるように構成されている（図１参照）。

【0022】

前記点光源位置制御手段８１は、ベース上に図示しないステージ、送りねじ及びパルスモータなどが設けられ、前記ステージ上の点光源Ｐの位置を送りねじ及びパルスモータによる。前記パルスモータの代わりに、手動によって送りねじを回転させるように構成することもある。

【0023】

前記点光源Ｐは、前記小孔板１１に設けられた１つの小孔と光源部１０とで構成されているが、本件の明細書に基づく平面図では前記小孔板１１の適所に黒丸のみで描かれている。白丸箇所は変わる仮想位置を表現している〔図１（Ｂ）〕。

【0024】

また、前記コリメータレンズ２と前記点光源Ｐとの距離は焦点距離ｆとなるようにして構成されている。前記小孔板１１の中心の中心点光源Ｐ０の位置から距離ｄだけ移動したときには、
距離ｄ＝ｆtan(Δθ)となるように構成されている〔図１（Ｂ）参照〕。

【0025】

前記点光源Ｐは、前記光源部（ハロゲンランプ、キノセンランプ、タングステンランプ、発光ダイオード又は半導体レーザ等）１０と前記小孔板１１の小孔とからなるように構成されており、具体的な表現としては、図１では、中心点光源Ｐ０と第１点光源Ｐ１とから構成されている。図２（Ａ）及び（Ｂ）では、本発明の別の第１実施形態の変角投光装置であって、投光側光学系Ａと、ハーフミラー３と、測定する試料とで構成されている。第１点光源Ｐ１と中心点光源Ｐ０として２つの第２点光源Ｐ２と中心点光源Ｐ０との構成されている。図２では、図示しないが点光源Ｐが３つ以上の場合もある。

【0026】

図２の場合には、点光源選択点灯手段８２が設けられている。具体的には、前記複数（３つ以上もある）の位置の点光源Ｐのうちから複数の２つ又は３つの点光源Ｐを点灯させるような点光源選択点灯手段８２を備える構成とされることもある。このように構成されることで、試料９の目的に応じた異なる波長分布のカラーフィルタ付きの点光源Ｐを選択できる。

【0027】

図３に示したものは、投光装置の簡易平面図であって、さらに別の第１実施形態の変角投光装置であり、第１点光源Ｐ１，第２点光源Ｐ２，第３点光源Ｐ３との投光の動作状態として構成されている。仮想中心点光源Ｐｚについては、立体角Δθの表示のために必要なため記載しておく。また、図３では、３色のカラーとしてフィルタ１３が用いられている（図示省略）。

【0028】

前記点光源Ｐの中心点光源Ｐ０の基本光軸ｘ方向に直交する方向に表面検査用の試料（サンプル）９が着脱自在となるような支持部９１が図示しない前記ベース上に設けられている。このように直交するには、ハーフミラー３が前記試料９と前記コリメータレンズ２との間の前記ベース上に取り付けられている。前記ハーフミラー３は、投光側光学系Ａと受光側測定部４との共用部品でもある。

【0029】

前記点光源Ｐの中心点光源Ｐ０の基本光軸ｘ方向に直交する方向であって、前記サンプル９が存在する反対側となる位置には、受光測定部４が前記ベース上に配置されている。ハーフミラー３を介していながら、前記サンプル９に対して法線方向（直角方法）からの受光できる構成とされている。直交方向からの受光ゆえに高精度にての撮像ができる。前記受光測定部４は、カメラレンズ４１とカメラ部４２とイメージセンサ４３とで構成されている。

【0030】

［本発明の別の第１実施形態及びその動作説明］
図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、点光源Ｐは、２つ又はそれ以上として構成され、中心点光源Ｐ０と第１点光源Ｐ１が使用されている。それぞれの点光源Ｐは、適正な焦点距離ｆのコリメータレンズ２を介して平行光ｎとなる。具体的には、中心点光源Ｐ０からは中心光線ｎ０，第１点光源Ｐ１からは第１光線ｎ１がΔθなる立体角なる変角を有する平行光がそれぞれ照射されて、ハーフミラー３を介して、試料９の表面には、Ｐ０落射とＰ1落射とが位置ずれして現れる。

【0031】

特に、図２（Ａ）に示すように、前記点光源選択点灯手段８２が設けられて、所望の点光源Ｐが選択されて変角として落射される。その変角とは、中心光線ｎ０（中央の線分）に対して、中心点光源Ｐ０から離れた距離ｄなる位置の第ｎ光線との立体角Δθを指すものである。

【0032】

該Ｐ０落射とＰ1落射とを、反対側の受光側測定部４のカメラ部４２にて受光する。この場合の該カメラ部４２では、Ｐ０落射とＰ1落射をと２色の異なるカラー画像として受光して、このそれぞれの画像を分析して前記試料９の表面状態を測定したり、表面の傷等の状態を測定できるものである。該試料９の測定では、表面状態の測定には、種々の光線（赤外線等）が測定目的に応じて使われるものである。

【0033】

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示した例は、点光源Ｐは、２つとして構成され、中心点光源Ｐ０と第１点光源Ｐ１又は中心点光源Ｐ０と第２点光源Ｐ２が使用されている。この場合の第２点光源Ｐ２による変角としての立体角Δθは、前記第１点光源Ｐ１の場合と同一であって、その構成及び動作については、図２（Ａ）と同一であるため、説明は省略する。なお、中心点光源Ｐ０を入れたのは立体角Δθを表示させるためである。

【0034】

［第１実施形態の変形例及びその動作説明］
図４に示した例は、第１実施形態の変形例であり、点光源Ｐは、３つとして構成され、中心点光源Ｐ０は存在せず、この無い場合をあえて仮想中心点光源Ｐｚとして書いておき、立体角Δθ表現のために記載しておく。この場合の仮想中心点光源Ｐｚを中心として同一距離となる正三角となる位置に、第１点光源Ｐ１，第２点光源Ｐ２，第３点光源Ｐ３として同一角度の立体角Δθとして複数小孔板１２を介して照射されている。

【0035】

図４の投光及び落射の動作状態について説明すると、第１点光源Ｐ１からは第１光線ｎ１，第２点光源Ｐ２からは第２光線ｎ２，第３点光源Ｐ３からは第３光線ｎ３がそれぞれΔθなる立体角なる変角を有してコリメータレンズ２を介して平行光がそれぞれ照射される。つまり、第１光線ｎ１（中央の線分）には、第１平行光線ｎ１１，第２光線ｎ２（中央の線分）には、第２平行光線ｎ２２，第３点光源Ｐ３（中央の線分）には、第３平行光線ｎ３３がそれぞれ前記試料９に向かって照射され、ハーフミラー３を介して、試料９の表面には、落射Ｐ１１，落射Ｐ２２，落射Ｐ３３とがそれぞれ位置ずれして表示される。

【0036】

このとき、前記仮想中心点光源Ｐｚから照射されたと仮定すると、試料９には、落射Ｐｚｚが現れ、この周囲に異なる３つの落射Ｐ１１，Ｐ２２，Ｐ３３が表現される。このとき、前記試料９位置とは反対側の受光側測定部４のカメラ部４２の内容によって動作が異なる。

【0037】

まず、カメラ部４２にてＲＧＢ（Red，Green，Blue）成分を分解して計測できる構成の場合には、前記採光部１にカラーのフィルタ１３が備えられなくても、前記ＲＧＢ成分を分解して前記試料９の表面状態について前記受光測定部４にて正確に計測できる。

【0038】

また、前記カメラ部４２にてＲＧＢ成分を分解できない構成である場合には、前記採光部１の複数小孔板１２箇所に、異なる点光源Ｐの数に応じたフィルタ１３が必要となる。これによって、前記カメラ部４２においてフィルタ１３に対応した個別の測定を介して正確に、試料９の表面状態の測定ができるものである。さらに、これらはＰＣを通じて画面にて確認できるように構成されている。

【0039】

実際には、図５に示すように、複数小孔板１２からの３つの点光源Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３からの中心光線ｎ１，ｎ２，ｎ３及び平行光を介して落射Ｐ１１，Ｐ２２，Ｐ３３像が重なって表現される。この３つが重なった部位が重要な落射像となる。つまり、Red，Green，Blueの３つの点光源を１度に測定できる。図３及び図４では、点光源Ｐと隣接する点光源Ｐとの距離を大きくして、中心光線と平行光とが相互に重なりを防止して図解を解り易くしたものである。

【0040】

［第１実施形態の別の変形例］
図６に示した本発明の実施形態１の変角投光装置の変形例としたものである。特に、図１の構成に近似しているが、前記受光測定部４の手前に、テレセントリック光学系７が設けられた構成あり、具体的には、前記ハーフミラー３と前記受光側測定部４との間に設けられて試料９につき、高精度の測定ができる。この図６についての複数の点光源Ｐ、平行光ｎ、落射についての説明は図1乃至図４と同様な内容であり、説明は省略した。

【0041】

［本発明の第２実施形態］
図７に示したものは、本発明の第２実施形態の変角投光装置の簡略平面図である。特に、基本光軸上にハーフミラーを使用しないタイプであり、試料９の表面線に対して直角な線分ｋに対して、投光側光学系Ａの軸線と受光測定部４の軸線とが角度αになるようにして上側に投光側光学系Ａが配置され、同等角αの下側には前記テレセントリック光学系７を介して受光側測定部４が設けられている。

【0042】

この場合であっても、複数の点光源Ｐを有し、該複数の点光源Ｐを固定している投光装置であっても、試料９の表面について高精度な測定ができる。特に、従来技術のように、投光側光学系Ａの軸線と受光測定部４の軸線を相互に移動又は駆動しるようなことも一切無く、簡易且つ正確なる測定ができると共に安価に提供できる最大の利点がある。この図５でも、動作及び効果については、図１乃至図４と同様であり、その説明を省略した。

【0043】

以上のように、基本的な構造としては、図１に示すように、１つの点光源Ｐを備える投光部１とコリメータレンズ２からなる投光側光学系Ａを備えられている。特に、前記投光部１が前記基本光軸ｘに直交する方向又はそれに近い方向の任意の方向に移動できる点光源位置制御手段８１が設けられている。このようにして、１つの前記点光源Ｐ０を適宜移動させて停止させることで、コリメータ光学系の応用であって、その中心光線ｎ０に平行光としての平行光線を得ることができる。なお、前記１つの点光源Ｐが小孔板１１に設けられている。

【0044】

このような変角平行光投光装置が構成され、このときの立体角Δθにて試料９に落射され、この状態を受光側測定部４にて測定できるように構成されている。
この明細書において、点光源Ｐの大きさ及び形状については、１つの点光源Ｐの場合、10μｍから200μｍとして構成されている。実施例では、100μｍを使用している。また、複数の点光源Ｐの場合は、100μｍから2000μｍであって、実施例では1000μｍを使用している。なお、これらはコリメータレンズ２の焦点距離に関係している。

【0045】

前記複数小孔板１２の小孔に対応している。これよりも小さくしたり、適宜大きくすることもあり、この値に制限されない。さらに、前記複数小孔板１２の小孔の形状としては、真円状を成していることが多いが、楕円状や、長方形状を成す場合もある。さらに、異なる位置間の距離としては、数ｍｍであっても、試料９には落射として確実に異なる表現として表示されるものであり、静止状態において複数の測定ができるという極めて多大なる効果を奏する。

【符号の説明】

【0046】

Ｐ…点光源、１…投光部、１１…小孔板、１２…複数小孔板、２…コリメータレンズ、
Ａ…投光側光学系、８１…点光源位置制御手段、８２…点光源選択点灯手段、
１３…フィルタ、３…ハーフミラー、４…受光測定部、９…試料（サンプル）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】